Полупроводниковый прибор для безопасного электронного элемента
Изобретение относится к коммутационной технике и может быть использовано в устройствах автоматики и телемеханики. Изобретение позволяет получить полупроводниковые приборы для безопасных электронных элементов. Сущность изобретения: в полупроводниковом приборе, содержащем кристалл со структурно интегрированными пассивными и активными компонентами, полевой транзистор с обеднением канала, диод сток-подложка и высокоомный резистор интегрированы в структуру кристалла так, что обрыв электрических соединений его внутренних компонентов является невозможной неисправностью. В другом варианте полупроводникового прибора для безопасного электронного элемента, по крайней мере, одной контактной площадке кристалла соответствуют два внешних вывода полупроводникового прибора, каждый из которых связан с контактной площадкой кристалла несоприкасающимися друг с другом перемычками. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к коммутационной технике и может быть использовано в устройствах автоматики и телемеханики.
В устройствах автоматики и телемеханики применяются электромеханические, электромагнитные и электронные элементы, реализующие стратегию безопасного поведения при возникновении неисправностей. Безопасный элемент наряду с переходами из пассивного состояния в активное состояние и обратно под воздействием управляющих сигналов обладает способностью при любой возможной неисправности с высокой вероятностью переходить в безопасное состояние, называемое защитным. Невозможные неисправности в таких элементах либо исключены логикой здравого смысла и действием законов природы, либо маловероятны благодаря применению специальных конструктивных, технологических и схемотехнических решений [1].
Целью изобретения является создание полупроводниковых приборов для безопасных электронных элементов.
Известен полупроводниковый прибор, содержащий кристалл со структурно интегрированными активными и пассивными компонентами на базе полевого транзистора с индуцированным каналом [2]. Так как структура таких активных и пассивных компонентов физически не разделима, обрыв электрических соединений компонентов внутри кристалла является невозможной неисправностью. С намного большей вероятностью возможны пробои структурно интегрированных компонентов и обрывы внутренних перемычек, связывающих контактные площадки кристалла с внешними выводами такого полупроводникового прибора.
В безопасных электронных элементах предлагается применить полупроводниковый прибор, содержащий кристалл со структурно интегрированными активными пассивными компонентами на базе полевого транзистора с обеднением канала. На фигуре 1а представлен вариант электрической принципиальной схемы такого полупроводникового прибора, а на фиг.1б - фрагмент возможной конструкции его кристалла. В структуру кристалла 1 полупроводникового прибора типа ДМОП с поликремниевым затвором интегрированы: полевой транзистор с обеднением канала 2, высокоомный резистор 3, низкоомный резистор 4, транзисторный токоотвод 5, диод сток-подложка 6, диод исток-подложка 7 транзисторного токоотвода 5. Диффузионная область первого типа проводимости 8 истока транзисторного токоотвода 5 служит телом низкоомного резистора 4. Поликремний 9, выполняющий функцию затвора полевого транзистора с обеднением канала 2, служит телом высокоомного резистора 3. Диффузионная область первого типа проводимости 8 истока и диффузионная область второго типа проводимости 10 подложки транзисторного токоотвода 5 образуют диод исток-подложка 7. Диффузионная область второго типа проводимости 10 подложки и эпитаксиальная область первого типа проводимости 11 стока полевого транзистора с обеднением канала 2 образуют диод сток-подложка 6. Электрические межсоединения структурно-интегрированных компонентов осуществляются на уровне общих диффузионных областей 8, 10, слоем поликремния 9, алюминиевой металлизацией 12.
Конкретный набор используемых структурно-интегрированных компонентов кристалла полупроводникового прибора и схема их соединения определяются решаемой схемотехнической задачей. На фиг.2 представлена схема электрическая принципиальная применения безопасного электронного элемента, состоящего из полупроводникового прибора 13, содержащего кристалл 1, в структуру которого интегрированы: полевой транзистор с обеднением канала 2, диод сток-подложка 6 и высокоомный резистор 3. Контактные площадки 14 затвора, истока и стока полевого транзистора с обеднением канала 2 связаны с одноименными внешними выводами 15 полупроводникового прибора 13 внутренними перемычками 16. Обмотка нейтрального реле постоянного тока 17 и последовательная цепочка, состоящая из разделительного конденсатора 18 и источника переменного напряжения 19, подключены параллельно полевому транзистору с обеднением канала 2, между затвором и истоком которого подключен выход фотовольтаического оптрона 20, представляющий собой цепочку из n (n не менее 1) последовательно соединенных фотодиодов 21, оптически связанных с излучателем 22. Фотовольтаический оптрон 20, являющийся функциональным преобразователем типа электрический ток - излучение - фото э.д.с, обеспечивает безопасное управление затвором полевого транзистора с обеднением канала 2. Нарушение законов преобразования, вызванное возможными неисправностями компонентов, входящих в состав фотовольтаического оптрона 20, сделает невозможным управление затвором полевого транзистора с обеднением канала 2 из-за отсутствия фото э.д.с или недостаточного ее уровня.
Устройство работает следующим образом. При отсутствии управляющего сигнала на входе фотовольтаического оптрона 20 проводимость сток-исток полевого транзистора с обеднением канала 2 высока настолько, что обеспечивает напряжение на обмотке нейтрального реле постоянного тока 17 меньше напряжения его срабатывания. Только при подаче управляющего сигнала на вход фотовольтаического оптрона 20 проводимость сток-исток полевого транзистора с обеднением канала 2, работающего в ключевом режиме, существенно уменьшается, что при наличии диода сток-подложка 6 приведет к срабатыванию нейтрального реле постоянного тока 17 из-за формирования выпрямленного напряжения на его обмотке. Возможные неисправности полупроводникового прибора 13 приведут либо к увеличению проводимости сток-исток полевого транзистора с обеднением канала 2 при обрыве внутренней перемычки 16 затвора или пробое структурно интегрированных компонентов, либо к отключению полупроводникового прибора 13 при обрыве внутренних перемычек 16 стока и/или истока. В любом из этих случаев срабатывания нейтрального реле постоянного тока 17 не произойдет, т.е. безопасный электронный элемент перейдет в защитное состояние. Структурно интегрированный высокоомный компонент, в рассматриваемом примере это резистор 3, включенный между затвором и истоком полевого транзистора с обеднением канала 2, исключает возможность самопроизвольного изменения его проводимости под действием эффекта плавающего затвора при обрыве внутренней перемычки 16 затвора. К невозможным неисправностям следует отнести обрыв полевого транзистора с обеднением канала 2 с сохранением подключения структурно-интегрированного диода сток-подложка 6 к нейтральному реле постоянного тока 17 и обрыв структурно-интегрированного резистора 3 с сохранением способности полевого транзистора с обеднением канала 2 изменять свою проводимость под действием эффекта плавающего затвора.
К возможным неисправностям большинства полупроводниковых приборов, входящих в состав электронного элемента, относятся обрывы внутренних перемычек, связывающих его внешние выводы с контактными площадками кристалла, из-за старения конструкции, превышения предельно допустимого значения протекающего по перемычке тока в результате нарушения логики или режима работы электронного элемента. В полупроводниковом приборе традиционной конструкции каждая контактная площадка кристалла соединена перемычкой с одним внешним выводом [3].
Безопасное поведение электронного элемента при обрыве внутренних перемычек входящего в его состав полупроводникового прибора может быть обеспечено благодаря тому, что, по крайней мере, одной контактной площадке кристалла соответствуют два внешних вывода полупроводникового прибора, каждый из которых связан с контактной площадкой кристалла несоприкасающимися друг с другом перемычками. Какими бы причинами не были вызваны обрывы внутренних перемычек такого полупроводникового прибора, электронный элемент сможет перейти в защитное состояние, отключив управляющие воздействия от управляемого объекта.
На фиг.3 представлены фрагменты структурной схемы устройства с применением полупроводниковых приборов традиционной (фиг.3а) и предлагаемой (фиг.3б и Зв) конструкций. В полупроводниковом приборе 23 традиционной конструкции контактные площадки 24 и 25 кристалла 26 соединены внутренними перемычками 27 и 28 с внешними выводами 29 и 30, соответственно. Управляющие воздействия 31 и 32, выводы 33 и 34 управляемого объекта 35 подключены к внешним выводам 29 и 30 полупроводникового прибора 23, соответственно. При обрыве одной или обеих внутренних перемычек 27 и 28 функциональная конфигурация электронного элемента нарушается, а отключения управляющих воздействий 31 или 32 от выводов 33 или 34 управляемого объекта 35 не происходит. В полупроводниковом приборе 36 предлагаемой конструкции контактным площадкам 24 и 25 кристалла 26 соответствуют по два внешних вывода 29, 37 и 30, 38 полупроводникового прибора 36, каждый из которых связан с контактными площадками 24 и 25 несоприкасающимися друг с другом внутренними перемычками 27, 39 и 28, 40, соответственно. При обрыве хотя бы одной внутренней перемычки функциональная конфигурация электронного элемента нарушается, но при этом происходит отключение управляющих воздействий 31 или 32 от выводов 33 или 34 управляемого объекта 35. Неисправность, при которой оборвавшиеся внутренние перемычки соединятся между собой, следует отнести к невозможной. Полупроводниковый прибор может содержать внутренние перемычки, выполненные различными технологическими приемами, с существенно отличающимися вероятностями возникновения обрыва, например эвтектическая пайка кристалла и проволочная сварка ультразвуком. В этом случае предлагаемая конструкция может применяться только по отношению к части полупроводникового прибора, использующей проволочную сварку ультразвуком, вероятность обрыва перемычек 27, 29 которой наиболее высока (фиг.1в). При этом обрыв внешнего вывода 41, присоединенного к кристаллу 42 эвтектической пайкой, можно считать невозможной неисправностью.
На фиг.4 представлен фрагмент схемы электрической принципиальной безопасного электронного элемента на полупроводниковом приборе 43, состоящем из кристалла 44, в структуру которого интегрированы: полевой транзистор с обеднением канала 2, подключенный между его истоком и затвором, низкоомный резистор 4, диод сток-подложка 6. Контактной площадке затвора 24 кристалла 44 соответствуют два внешних вывода 29 и 37, каждый из которых связан с контактной площадкой 24, несоприкасающимися друг с другом внутренними перемычками 27 и 39, соответственно. Внешний вывод 41 полупроводникового прибора 43 подключен к стоку полевого транзистора с обеднением канала 2, управляющему выводу 32 и выводу 34 управляемого объекта 35. Внешние выводы 29 и 37 полупроводникового прибора 43 подключены к управляющему воздействию 31 и выводу 33 управляемого объекта 35, соответственно.
Полевой транзистор с обеднением канала 2 работает в режиме ограничения тока благодаря действию эффекта поля, создаваемого запирающим напряжением, приложенным между его затвором и истоком. За активное состояние такого безопасного электронного элемента может быть принят режим, при котором через полупроводниковый прибор 43 протекает ток заданной величины, что возможно только в исправном кристалле 44. Любая возможная неисправность, возникшая в структуре полевого транзистора с обеднением канала 2, приведет к существенному увеличению общей проводимости между его стоком и истоком либо из-за невозможности поддержания эффекта поля, либо из-за появления дополнительных утечек при пробое структурно-интегрированных компонентов. Конструкцию полупроводникового прибора 43 можно рассчитать таким образом, что выделяемая при этом кристаллом 44 мощность значительно превысит предельно допустимую, рассчитанную для рабочего режима ограничения тока. Это с большой вероятностью приведет к обрыву внутренней перемычки 27 и/или 39 и отключению управляющего воздействия 31 от вывода 33 управляемого объекта 35. Обрывы внутренних межсоединений структурно-интегрированных компонентов кристалла 43, внешнего вывода 41, присоединенного к кристаллу 44, например, эвтектической пайкой, можно считать невозможной неисправностью.
1. Полупроводниковый прибор, содержащий кристалл полевого транзистора с обеднением канала, к стоку и истоку которого подключены диод сток-подложка, обмотка постоянного тока и источник переменного напряжения, между затвором и истоком полевого транзистора с обеднением канала подключены высокоомный резистор и выход фотовольтаического оптрона, на вход которого подается управляющий сигнал, отличающийся тем, что полевой транзистор с обеднением канала, диод сток-подложка и высокоомный резистор интегрированы в структуру кристалла так, что обрыв электрических соединений его внутренних компонентов является невозможной неисправностью.
2. Полупроводниковый прибор, состоящий из кристалла, обрыв электрических соединений внутренних компонентов которого является невозможной неисправностью, и внешних выводов, соединенных с контактными площадками кристалла внутренними перемычками так, что первая и вторая контактные площадки кристалла соединены, соответственно, первой и второй внутренними перемычками с первым и вторым внешними выводами, которые подключены к первому и второму выводу управляемого объекта, отличающийся тем, что первая контактная площадка кристалла связана с третьим внешним выводом третьей внутренней перемычкой, которая не соприкасается с первой внутренней перемычкой, а управляющее воздействие подключается ко второму и третьему внешнему выводу, вторая контактная площадка кристалла может быть дополнительно связана с четвертым внешним выводом четвертой внутренней перемычкой, которая не соприкасается со второй внутренней перемычкой, в этом случае, управляющее воздействие подключается к третьему и четвертому внешнему выводу.
